CN102780215B - 一种矿用低压电网容性电流自动补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种矿用低压电网容性电流自动补偿装置，属于煤矿井下漏电保护技术领域。其特征在于整套装置由电容电流自动补偿主电路及电容电流自动补偿控制电路两部分组成。最大优点是能够根据实际电网对地分布电容的变化，实现电感支路电流自动调节，达到最佳补偿，从而保证漏电电流或人身触电电流最小。系统采用单片机控制实现自动补偿，无需开盖手动操作，具有补偿效果好，周期短，操作方便，安全性高的特点。主要应用于煤矿井下中性点不接地的低压供电漏电保护。

Description

一种矿用低压电网容性电流自动补偿装置

技术领域

本发明一种矿用低压电网容性电流自动补偿装置，属于煤矿自动化检测技术领域，具体涉及一种附加电源直流检测式漏电保护器的容性电流自动补偿装置，该装置应用于煤矿井下中性点不接地的660V及1140V低压供电漏电保护系统的容性电流自动补偿，克服了现有容性电流补偿装置无法根据电网运行变化自动快速调整的缺陷，可完全取代现有技术的低压电网容性电流补偿装置。 

背景技术

在中性点直接接地的低压供电系统中，若发生漏电事故，将会产生很大电流，甚至可达数百、数千安培，对安全生产造成严重威胁。因此，《煤矿安全规程》规定：严禁井下配电变压器中性点直接接地，严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电。目前，国内井下广泛采用变压器中性点绝缘的供电系统，对中性点绝缘的供电系统，发生单相接地（包括直接接地和经过渡阻抗接地）或两相、三相对地的总绝缘阻抗下降到危险值的电气故障就叫漏电故障。对于此类供电系统人身触及一相带电导体的情况，属于单相经过渡阻抗接地，对人来说是发生了触电，对整个供电系统来说就是发生了漏电。在电网发生漏电故障时，必须采取有效的保护措施，否则会造成如下问题：人身触电事故；接地点产生的漏电火花引起瓦斯煤尘爆炸；电雷管的提前引爆；长期存在的漏电可能使电气设备的绝缘进一步恶化，造成相间短路、电火灾和其他危及矿井安全的电气故障。电网若发生漏电故障，最容易检测到的是电网各相对地绝缘电阻的下降，直接对电网各相对地绝缘进行检测的漏电保护方式是附加电源直流检测式漏电保护，它具有保护全面，跳闸不受故障类型和发生时间、地点的影响，动作值整定简单，可靠性高等优点，被广泛应用于低压供电系统馈电开关和磁力启动器中。

井下低压电网对地电容的存在，会使漏电电流和人身触电电流显著增大，而单纯提高绝缘电阻，到一定程度后反而会使漏电电流和人身触电电流增大。从电网运行的角度看，则希望绝缘电阻越高越好。这一矛盾，只有在电容的作用完全消失，或者说电容电流完全被补偿的情况下，才能得到解决。由电工理论可知，在电感与电容并联的电路中，电感电流与电容电流反相，前者滞后电源电压90°，后者超前电源电压90°，因此在附加电源直流检测式漏电保护中的人为中性点与大地之间增设一条可调的感性支路，利用零序电流流过感性支路所产生的电感电流与电网对地电容电流相抵消，使故障处漏电电流或人身触电电流大为降低，这就是电容电流补偿。附加电源直流检测式漏电保护器有一个突出的特点是可以补偿整个供电单元电容电流，使漏电电流和人身触电电流减小，等于人为地减轻了故障程度。煤矿常用的附加电源直流检测式漏电保护器有JJKY30型和JJB型（JY82型改进后），其中JJKY30型采用饱和电抗器补偿电容电流，JY82型采用抽头式电抗器，有级调节电感量补偿电容电流，两类系统都需要手动按住补偿按钮，通过观测漏电监视电流表，进行手动调节。但井下低压供电单元的对地分布电容大小与电缆的长度、截面、绝缘材料的厚度和电介质的性质有关，受长度影响最大，电缆总长度越长，电网对地电容越大，容抗越小。特别是采掘工作面的设备经常移动，电缆长度不断变换，引起对地分布电容变化较大。现有容性电流补偿装置存在的问题：

1.电容电流补偿调整周期太长，一旦电感值确定以后在井下就不能随电网分布电容参数变化及时调整，因而不能保证在整个使用周期内的最佳补偿，一旦分布电容发生变化，便会出现过补偿或欠补偿，降低了安全性。

2.每次操作需要开盖，手动改变抽头或手动调节，通过目测电流表配合人工调节，操作不方便，调节繁琐。并且在井下带电打开防爆外壳调整不符合防爆技术要求，甚至会造成新的不安全因素。

3.为符合防爆要求，调整一般均在地面进行，无法准确实现对井下参数的最佳补偿。

发明内容

本发明一种矿用低压电网容性电流自动补偿装置，目的是解决上述现有技术存在的问题，从而公开一种根据分布电容的变化，每日在对低压检漏装置的运行情况进行一次跳闸试验前自动调节电感值，自动补偿电容电流，不需要开盖手动操作，便使系统达到最佳补偿状态，实现附加电源直流检测式漏电保护器的容性电流自动补偿。

本发明一种矿用低压电网容性电流自动补偿装置，其特征在于是一种根据分布电容的变化，每日在对低压检漏装置的运行情况进行一次跳闸试验前自动调节电感值，自动补偿电容电流，不需要开盖手动操作，便使系统到达最佳补偿状态，实现附加电源直流检测式漏电保护器的容性电流自动补偿，整套装置由电容电流自动补偿主电路及电容电流自动补偿控制电路两部分组成，所述电容电流自动补偿主电路由电容电流自动补偿继电器有级切换电路与电容电流自动补偿步进电机无级调节电路组成，所述电容电流自动补偿继电器有级切换电路由磁放大器15及继电器切换电路组成，磁放大器15是系统原有的补偿电感，包括磁放大器上交流绕组L₁、磁放大器下交流绕组L₂和磁放大器直流绕组L₃，安装时磁放大器上交流绕组L₁和磁放大器下交流绕组L₂串联连接，磁放大器上交流绕组L₁和磁放大器下交流绕组L₂分别留出四个抽头，并保证每组对应抽头匝数相同，线径相同，磁放大器上交流绕组L₁与三相电抗器14的中性点相连，磁放大器下交流绕组L₂与接地电容C₄连接，并通过接地电容C₄与局部接地极17连接，接地电容C₄为原有附加电源直流检测式漏电保护器的隔直电容；继电器切换电路由1号继电器动合触点101、2号继电器动合触点201、3号继电器动合触点301、4号继电器动合触点401、5号继电器动合触点501、6号继电器动合触点601、7号继电器动合触点701和8号继电器动合触点801组成，1号继电器动合触点101与5号继电器动合触点501闭合接入交流绕组总匝数的四分之一，2号继电器动合触点201与6号继电器动合触点601闭合接入交流绕组总匝数的二分之一，3号继电器动合触点301与7号继电器动合触点701闭合接入交流绕组总匝数的四分之三，4号继电器动合触点401与8号继电器动合触点801闭合接入全部交流绕组，继电器切换的目的是通过调整抽头接线方式改变匝数实现改变磁放大器15电感值，其调节过程是有级的；所述电容电流自动补偿步进电机无级调节电路由磁放大器15、磁放大器直流电源13、旋转式可调电位器4、联轴器3、步进电机2及步进电机驱动器11组成，安装时步进电机驱动器11连接步进电机2，步进电机驱动器11给步进电机2提供动作所需的指令信号及驱动功率，步进电机2的输出轴与旋转式可调电位器4的调节轴通过联轴器3连接，目的是步进电机2的转动量与旋转式可调电位器4的转动量一致，依靠步进电机2调节旋转式可调电位器4的电阻值，磁放大器直流电源13为磁放大器15的磁放大器直流绕组L₃提供稳定的直流工作电源，当旋转式可调电位器4的阻值变化时，磁放大器15中的磁放大器直流绕组L₃的直流电流发生改变，通过改变磁导率来改变磁放大器15的电感值；所述电容电流自动补偿控制电路由电流传感器6、A/D转换电路10、单片机1、光电隔离电路12、自动补偿按钮8组成，电流传感器6用来采集按下自动补偿按钮8时电网的漏电电流，该漏电电流经A/D转换电路10变换后由单片机1采集，再经单片机1运算后通过光电隔离电路12控制1号继电器K1、2号继电器K2、3号继电器K3、4号继电器K4、5号继电器K5、6号继电器K6、7号继电器K7和8号继电器K8的线圈回路，对磁放大器15的匝数进行调节，然后单片机1发出指令信号控制步进电机驱动器11驱动步进电机2转动，改变旋转式可调电位器4阻值，从而改变磁放大器直流绕组L₃的电流值。

本发明一种矿用低压电网容性电流自动补偿装置与传统附加电源直流检测式漏电保护器的容性电流补偿装置相比有如下特点：

1.基于最小漏电电流闭环控制原理，磁放大器交流绕组抽头切换采用单片机控制继电器方式实现电感量粗调；磁放大器直流绕组的控制电流通过单片机驱动步进电机系统自动调节可调电位器来调节，实现电感量细调，从而使流过磁放大器的电感电流完全补偿电网分布电容的电流。粗调与细调均采用自动方式，粗调可减小细调的动作量，加快调节速度。

2.系统补偿速度快、精度高、调整周期短，每工作日调整一次。

3.自动补偿按钮装设在设备的外壳上，只需按住自动补偿按钮30~60秒，无需开盖手动调整，系统即可自动实现电容电流最佳补偿，补偿过程操作方便、安全。

附图说明

图1  附加电源直流检测式漏电保护器的容性电流自动补偿装置原理图。

1．单片机   2．步进电机   3．联轴器   4．旋转式可调电位器   5．漏电模拟电阻R₄   6．电流传感器   7．电流表   8．自动补偿按钮   9．辅助接地极2PE   10．A/D转换电路   11．步进电机驱动器   12．光电隔离电路   13．磁放大器直流电源  14．三相电抗器  15．磁放大器  16．附加直流电源控制装置  17．局部接地极1PE   18．660V与1140V电网漏电试验切换开关   19．漏电动作测试按钮   C₁、C₂、C₃．三相电网对地分布电容   C₄．接地电容   R₁、R₂、R₃．三相电网对地绝缘电阻   R₅．660V电网漏电试验电阻   R₆．1140V电网漏电试验电阻   K1．1号继电器   K2．2号继电器   K3．3号继电器   K4．4号继电器   K5．5号继电器   K6．6号继电器  K7．7号继电器   K8．8号继电器   101．1号继电器动合触点   201．2号继电器动合触点   301．3号继电器动合触点   401．4号继电器动合触点   501．5号继电器动合触点   601．6号继电器动合触点   701．7号继电器动合触点   801．8号继电器动合触点   L₁．磁放大器上交流绕组   L₂．磁放大器下交流绕组   L₃．磁放大器直流绕组。

具体实施方案

下面结合附图1及实施例对本发明附加电源直流检测式漏电保护器的容性电流自动补偿装置做出进一步的详细说明。

实施方式1 ：

按照附图1所示的方案，按下自动补偿按钮8，自动补偿按钮8的动断触点先断开，然后动合触点闭合，此时电网漏电电流通过漏电模拟电阻5、电流传感器6、电流表7、自动补偿按钮8的闭合触点与辅助接地极9构成模拟漏电回路。C₁、C₂、C₃分别为三相电网对地分布电容，产生容性电流，R₁、R₂、R₃分别为三相电网对地绝缘电阻，产生电阻性电流，这两类电流都经模拟漏电回路流回电网，此时三相电抗器14的三个绕组分别连接到电网的A、B、C相，三相电抗器14连接成Y形接法，构成人为中性点，磁放大器15产生感性电流，也经模拟漏电回路流回电网。根据电路基本理论，取电网每相分布电容值C₁=C₂=C₃=C，即容抗为X_3C；电网每相绝缘电阻值R₁=R₂=R₃=r，即电阻为r/3；磁放大器15可调电感值为L，即感抗为X_L，则电网对地总零序阻抗为r/3、X_3C、X_L的并联，当满足并联谐振条件时，即X_L=X_3C或L=1/3ω²C，电容电流被完全抵消，漏电电流最小。因此，电网对地分布电容值C增大时，磁放大器15可调电感值L应相应减小；电网对地分布电容值C减小时，磁放大器15可调电感值L应相应增大，才能满足完全补偿。所以，通过调节磁放大器15电感值L，即可实现容性电流完全补偿，且完全补偿时电流传感器6采集的漏电电流最小，与电流传感器6串联的电流表7显示值也最小。由电磁理论可知，磁放大器15电感值L=4πN² μA/l，式中，N为线圈匝数；A为铁芯截面积；l为磁路长度；μ为铁芯磁导率。改变磁放大器15的交流线圈匝数即可改变电感值，但调节量较大，且为有级调节。进一步根据磁路的欧姆定律，可知磁通Φ=Ni/R_m=H·μ·A，式中i为线圈通电电流；R_m为磁路的磁阻；H为磁场强度。当连续改变直流控制电流i大小时，磁通Φ发生变化，磁导率μ随着发生变化，交流线圈的电感值发生改变，且为无级调节。有级调节与无级调节配合使用，不仅可加快调节速度，提高补偿精度，减小无级调节的动作量，且可实现完全补偿。由于分布电容在0.1μF~1μF范围变化，分布电容为最小0.1μF时对应完全补偿的电感量为33.8H ，分布电容为最大1μF时对应完全补偿的电感量为3.38H，因此设计磁放大器15电感值取值范围为1H~40H。

自动初调补偿流程为：按下自动补偿按钮8，其动断触点断开，动合触点闭合，一方面漏电电流流过电流传感器6，另一方面暂时断开附加直流电源控制装置16，不让附加电源直流检测式漏电保护器动作跳闸。电流传感器6采集的漏电电流值信号，经A/D转换电路变换后，输入到单片机1，经单片机1判断后，控制光电隔离电路12，并驱动1号继电器K1、2号继电器K2、3号继电器K3、4号继电器K4、5号继电器K5、6号继电器K6、7号继电器K7和8号继电器K8的线圈回路，首先进行有级调节，即进行自动初调，根据漏电电流的大小，确定是增加磁放大器上交流绕组L₁与磁放大器下交流绕组L₂的线圈匝数还是减小磁放大器上交流绕组L₁与磁放大器下交流绕组L₂的线圈匝数，通常先选择减小交流绕组线圈匝数去比较。例如磁放大器上交流绕组L₁与磁放大器下交流绕组L₂线圈匝数原在总匝数的1/2抽头处，即2号继电器动合触点201与6号继电器动合触点601闭合，单片机1采集并存储此时漏电电流值，断开2号继电器动合触点201与6号继电器动合触点601后，让1号继电器动合触点101与5号继电器动合触点501闭合，即接入总匝数的1/4抽头，同时单片机1采集并存储此时漏电电流值，比较两次漏电电流值，若1/2抽头处漏电电流大于1/4抽头处漏电电流，因为此时初调电感量已最小，则保持1/4抽头接法并固定；若1/2抽头处漏电电流小于1/4抽头处漏电电流，则断开1号继电器动合触点101与5号继电器动合触点501，闭合3号继电器动合触点301与7号继电器动合触点701，即接入总匝数的3/4抽头，此时若1/2抽头处漏电电流小于3/4抽头处漏电电流，则保持1/2抽头接法，若1/2抽头处漏电电流大于3/4抽头处电流，则继续加大到最大电感量，即闭合4号继电器动合触点401与8号继电器动合触点801，直到找到最小漏电电流值，并固定接法，初调结束。若初始状态接法在1/4抽头处，则按照增大电感量的方法寻找最小漏电电流值；若初始状态接法已接入最大匝数，则按照减小电感量的方法寻找最小漏电电流值，最终固定接法，结束初调过程。

自动细调补偿流程为：初调结束后，单片机1发出控制指令给步进电机驱动器11，控制步进电机2转动，通过联轴器3带动旋转式可调电位器4转动，从而改变其电阻值。磁放大器直流电源13为旋转式可调电位器4与磁放大器直流绕组L₃的串联回路提供电源，通过旋转式可调电位器4的阻值改变调整直流电流值，从而连续改变磁放大器15的电感值。首先，单片机1采集并存储当前时刻电流值后，发出逆时针旋转方向信号，脉冲发送周期为20毫秒，间隔20毫秒发出1个脉冲旋转位置信号，步进脉冲发出后，在20毫秒间隔内比较前一时刻漏电电流值与当前时刻漏电电流值，若当前时刻漏电电流值小于上一时刻漏电电流值，则继续执行逆时针旋转指令，并进行漏电电流比较，直到比较出最小漏电电流值，步进停止；若当前时刻漏电电流值大于上一时刻漏电电流值，则以20毫秒周期执行顺时针旋转指令，并进行漏电电流比较，直到比较出最小漏电电流值，步进停止。最后松开自动补偿按钮8结束调节。

根据《煤矿安全规程》规定：井下低压馈电线上，必须装设检漏保护装置或有选择性的漏电保护装置，保证自动切断漏电的故障线路。每天必须对低压检漏装置的运行情况进行一次跳闸试验。因此，每日应按下漏电动作测试按钮19一次，以测试漏电动作的可靠性，其中660V与1140V电网漏电试验切换开关18在左位时适用测试660V电网，在右位时适用测试1140V电网。本发明附加电源直流检测式漏电保护器的容性电流自动补偿装置的操作可在操作漏电动作测试按钮19前按下自动补偿按钮8，待自动补偿结束后，再操作漏电动作测试按钮19，实现每日至少进行一次容性电流自动补偿，大大提高容性电流补偿效果，保证煤矿安全生产。

Claims (1)

1.一种矿用低压电网容性电流自动补偿装置，其特征在于是一种根据电网分布电容的变化能自动补偿电容电流的装置，不需要开盖手动操作，便使系统到达最佳补偿状态，实现附加电源直流检测式漏电保护器的容性电流自动补偿，矿用低压电网容性电流自动补偿装置由电容电流自动补偿主电路及电容电流自动补偿控制电路两部分组成，所述电容电流自动补偿主电路由电容电流自动补偿继电器有级切换电路与电容电流自动补偿步进电机无级调节电路组成，所述电容电流自动补偿继电器有级切换电路由磁放大器(15)及继电器切换电路组成，磁放大器(15)是附加电源直流检测式漏电保护器的补偿电感，包括磁放大器上交流绕组(L₁)、磁放大器下交流绕组(L₂)和磁放大器直流绕组(L₃)，安装时磁放大器上交流绕组(L₁)和磁放大器下交流绕组(L₂)串联连接，磁放大器上交流绕组(L₁)和磁放大器下交流绕组(L₂)分别留出四个抽头，并保证每组对应抽头匝数相同，线径相同，磁放大器上交流绕组(L₁)与三相电抗器(14)的中性点相连，磁放大器下交流绕组(L₂)与接地电容(C₄)连接，并通过接地电容(C₄)与局部接地极(17)连接，接地电容(C₄)为附加电源直流检测式漏电保护器的隔直电容；继电器切换电路由1号继电器动合触点(101)、2号继电器动合触点(201)、3号继电器动合触点(301)、4号继电器动合触点(401)、5号继电器动合触点(501)、6号继电器动合触点(601)、7号继电器动合触点(701)、8号继电器动合触点(801)组成，1号继电器动合触点(101)与5号继电器动合触点(501)闭合接入磁放大器上交流绕组(L₁)和磁放大器下交流绕组(L₂)串联连接总匝数的四分之一，2号继电器动合触点(201)与6号继电器动合触点(601)闭合接入磁放大器上交流绕组(L₁)和磁放大器下交流绕组(L₂)串联连接总匝数的二分之一，3号继电器动合触点(301)与7号继电器动合触点(701)闭合接入磁放大器上交流绕组(L₁)和磁放大器下交流绕组(L₂)串联连接总匝数的四分之三，4号继电器动合触点(401)与8号继电器动合触点(801)闭合接入磁放大器上交流绕组(L₁)和磁放大器下交流绕组(L₂)串联连接全部匝数，继电器切换能调整抽头接线方式，改变匝数，从而改变磁放大器(15)电感值，其调节过程是有级的；所述电容电流自动补偿步进电机无级调节电路由磁放大器(15)、磁放大器直流电源(13)、旋转式可调电位器(4)、联轴器(3)、步进电机(2)及步进电机驱动器(11)组成，安装时步进电机驱动器(11)连接步进电机(2)，步进电机驱动器(11)给步进电机(2)提供动作所需的指令信号及驱动功率，步进电机(2)的输出轴与旋转式可调电位器(4)的调节轴通过联轴器(3)连接，目的是步进电机(2)的转动量与旋转式可调电位器(4)的转动量一致，依靠步进电机(2)调节旋转式可调电位器(4)的电阻值，磁放大器直流电源(13)为磁放大器(15)的磁放大器直流绕组(L₃)提供稳定的直流工作电源，当旋转式可调电位器(4)的阻值变化时，磁放大器(15)中的磁放大器直流绕组(L₃)的直流电流发生改变，通过改变磁导率来改变磁放大器(15)的电感值；所述电容电流自动补偿控制电路由电流传感器(6)、A/D转换电路(10)、单片机(1)、光电隔离电路(12)和自动补偿按钮(8)组成，电流传感器(6)用来采集按下自动补偿按钮(8)时电网的漏电电流，该漏电电流经A/D转换电路(10)变换后由单片机(1)采集，再经单片机(1)运算后通过光电隔离电路(12)控制1号继电器(K1)、2号继电器(K2)、3号继电器(K3)、4号继电器(K4)、5号继电器(K5)、6号继电器(K6)、7号继电器(K7)、8号继电器(K8)的线圈回路，对磁放大器(15)的匝数进行调节，从而改变磁放大器(15)电感值，实现初调，然后单片机(1)发出指令信号控制步进电机驱动器(11)驱动步进电机(2)转动，调节旋转式可调电位器(4)阻值，改变磁放大器直流绕组(L₃)的电流值，从而改变磁放大器(15)电感值，实现细调。

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